Voltmetre electrostatice

Voltmetre electrostatice

Fata de divizoare de tensiune si senzori voltmetrici, voltmetrele electrostatice prezinta avantajele:

indica direct tensiunea de masurat fara a mai necesita instrument de afisare;

lucreaza in circuit deschis, deci ofera o impedanta de intrare foarte mare (Z_I=10¹²-10¹⁴ W in c.c.), ceea ce permite satisfacerea conditiei (5.2') pentru aproape toate cazurile de masurari pe obiecte cu R_G     foarte mare.

Dar si     dezavantajele:

gabarit mare, deci, portabilitate redusa;

nu permit izolare galvanica fata de obiectul de masura.

1 Voltmetre electrostatice de medie tensiune

Acestea pot fi cu ac indicator sau cu indicator optic

a) Voltmetrul cu ac indicator cu schimbarea gamelor sub tensiune

In varianta clasica voltmetrele electrostatice de medie tensiune cu ac indicator sunt aproape identice cu cele de joasa tensiune si au acelasi mare neajuns: o singura tensiune nominala (gama). De aceea in cele ce urmeaza prezentam numai o varianta ce permite schimbarea gamelor sub tensiune.

Existenta mai multor tensiuni nominale (U_xn) permite acoperirea unui domeniu mai larg de masura cu unul si acelasi aparat, ceea ce permite ieftinirea operatiei de masurare. La voltmetrele electrostatice, din motive legate de energetica mecanismului de masura, schimbarea gamelor se face, de regula, prin modificarea distantei dintre electrozii activi.

Principiul schimbarii gamelor sub tensiune

Schema functionala a unui voltmetru electrostatic clasic este aratata in fig.5.10, a, in care l este electrodul mobil, 2 electrodul fix, 3 resortul antagonist, iar 4 acul indicator.

Ecuatia de functionare a acestui voltmetru este de forma:

, (5.16)

in care D este constanta resortului 3, iar k un parametru geometric ce depinde de distanta (d) dintre electrozii activi (fig. 510, b) si este de forma (m=const.): k=m/d. La cap de scara (a a_n, U_xn=U_xn) relatia (5.16) poate fi transcrisa in forma:

; (5.17)

din care rezulta ca principala cale de modificare a tensiunii nominale U_xn o constituie modificarea distantei dintre electrozii activi. Pe acest principiu se bazeaza voltmetrele cu schimbarea gamelor sub tensiune, prezentate in cele ce urmeaza.

Observatii

Distanta d trebuie sa fie aleasa astfel incat intensitatea campului electric dintre electrozi, U_xn/d, sa fie sensibil mai mica decat rigiditatea dielectrica a aerului (1kV/mm), conditie indeplinita daca se respecta relatia:

U_xn/d 0,5 kV/mm. (5.18)

O valoare pentru d mai mare decat cea din (5.18) (pentru mai multa siguranta impotriva strapungerii spatiului dintre electrozii activi 1 si 2 nu e recomandata deoarece conduce la un cuplu activ insuficient.

Chiar si in situatia respectarii conditiei (5.18) poate aparea strapungerea intre 1 si 2, datorita unor eventuale varfuri de tensiune mai mari decat U_xn (tranzitii). Pentru limitarea curentului de scurtcircuit intr-o

atare situatie se inseriaza o rezistenta de protectie (R_p), componenta ce exista la orice voltmetru electrostatic (fig 5.10, a)

Exemplu de kilovoltmetru cu schimbarea gamelor sub tensiune

In fig 5.11, a se arata schema functionala a unui kilovoltmetru cu 3 game: 2,5-5-10kV care pot fi schimbate in timpul lucrului, fara a mai fi necesara deconectarea aparatului de la tensiunea de masurat (U_x). Comutarea intre cele 3 game de tensiune (sensibilitati) ale kilovoltmetrului se realizeaza prin modificarea distantei dintre electrozii activi (d), cu ajutorul unui sistem de 3 electrozi de tensiune plan-paraleli (1,1',1'') fixati pe un ax electroizolant (2), cu o bucsa de bronz (3). La rotirea acestui ax, cu un buton (4) electrozii mentionati se pot afla succesiv in zona de lucru a electrodului mobil (5), realizand succesiv distantele: d, d^' si d^'' (d<d'<d'') corespunzatoare gamelor U_xn=2,5kV, U_xn=5kV, U_xn=10kV. Aceste game sunt legate de distantele respective prin relatii de forma (5.17).

In fig 5.11,b se arata forma exterioara a acestui kilovoltmetru, unde 6 este borna de masa, 7 borna de tensiune, 10 izolator, iar 11 carcasa (aluminiu 2mm grosime).

Parametri de calitate:

game (U_xn) comutabile sub tensiune: 2,5-5-10kV;

precizie: 2,5% c.s;

banda de frecvente: 0-2 MHz;

dimensiuni: 350x220x130 mm, masa 2Kg.

b) Voltmetru electrostatic cu indicator optic si schimbarea gamelor sub tensiune

Utilizarea indicatorului optic in locul celui cu ac la voltmetrele electrostatice permite o mai eficienta ecranare a organului mobil, precum si o anumita imbunatatire a preciziei (organ mobil pe benzi de intindere ). De asemenea permite si o mai usoara schimbare a gamelor de masura.

Neajunsul voltmetrelor clasice cu indicator optic: gamele de masura nu pot fi schimbate sub tensiune.

Pentru exemplificare utilizam kilovoltmetrul rusesc C-96 (7,15,30 kV)

La acesta schimbare gamelor se face in felul urmator: se deconecteaza U_x, se alege gama (U_xn) necesara precum si scara corespunzatoare pentru afisarea acesteia, dupa care se reconecteaza U_x pentru continuarea masurarii. Acest mod de schimbare a gamelor

prezinta doua neajunsuri importante:

necesitatea deconectarii aparatului pe timpul schimbarii gamelor, ceea ce inseamna viteza de lucru coborata, precum si posibilitatea aparitiei unor erori suplimentare;

pericol de electrocutare pentru operator (acesta e obligat sa puna mana pe electrodul de tensiune).

La voltmetrul prezentat in cele ce urmeaza ambele neajunsuri dispar deoarece schimbare gamelor se face fara a deconecta aparatul, iar manevrarea electrozilor se face cu un ax electroizolant prevazut cu buton.

Kilovoltmetru cu indicator optic si schimbarea gamelor sub tensiune

In fig 5.12, a se arata schema functionala a unui kilovoltmetru de 7,5-15-30 kV, cu schimbarea gamelor sub tensiune si indicator optic. Ca si in cazul kilovoltmetrului cu ac indicator (fig 5.11) schimbarea gamelor (U_xn) se face prin modificarea distantei (D) dintre electrozii activi, cu ajutorul unui sistem cu trei electrozi de tip ciuperca (1, 1', 1''), fixati pe un ax metalic (2) si pusi la tensiunea de masurat (U_x) prin intermediul unei perii (3). Electrodul mobil (4), impreuna cu oglinda (5) sunt fixate

pe un ax (6) care la randu-i este fixat pe sasiu cu bentite de intindere (7) ce dau cuplul antagonist si fac legatura la masa a organului mobil.

Oglinda (5) primeste raza de lumina de la lampa L, pe care o reflecta pe scara gradata translucida (8), formand spotul indicator (9).

Ca si la kilovoltmetru din fig 5.11, sunt necesare scari gradate separate pentru fiecare dintre cele 3 game. Aceste scari: 8, 8', 8'' (fig 5.12, c) sunt aduse in zona spotului (9) cu ajutorul unei came (nefigurate)

fixata pe partea electroizolanta (2') a axului (2) parte de care este fixat si butonul comutatorului de game (10).

In fig. 5.12, b se prezinta vederea din fata a kilovoltmetrului din fig. 5.12, a

Performante:

game de tensiune: 7,5-15-30 kV;

precizie: 2,5% cs;

banda: 0-5 MHz;

dimensiuni: 600x280x300 mm; masa 5Kg.

2 Voltmetre electrostatice de inalta tensiune (50-300 kV)

a) Voltmetre electrostatice clasice

Din multimea acestora [3] vom prezenta numai tipul cu atractie, deoarece este cel mai raspandit in laboratoarele de tehnica tensiunilor inalte.

Schema de alcatuire

Schema unui voltmetru electrostatic de tipul cu atractie este prezentata in fig 5.13, a. Tensiunea de masurat (U_x) este aplicata unui electrod fix (1), montat pe un suport electroizolant (2), care exercita o forta de atractie:

(5.19)

asupra unui electrod mobil (3) prevazut cu inel de garda (4). Datorita fortei F₁, electrodul mobil se deplaseaza catre (1) pe o distanta foarte mica x; acesteia i se opune forta:

F₂=k₂ x (5.20)

ce ia nastere in resortul antagonist (5), iar echilibrul se stabileste cand F₁=F₂, conditie din care rezulta relatia:

. (5.21)

Deplasarea x este convertita intr-o deviatie (a) a unui dispozitiv de afisare cu ac indicator (6), cu ajutorul unui mecanism cu parghii, intre a si x existand relatia evidenta:

a=k₃ x    , (5.22)

in care k₃ este o constanta a acestui mecanism. Sistemul de electrozi 3-4 si mecanismul 5-6 sunt plasate intr-o cutie ecran (7), montata pe un suport (8), fixat pe un batiu (9) ca si sistemul 1-2.

Ecuatia de functionare

Din asocierea expresiei (5.21) cu (5.22) rezulta relatia:

; , (5.23)

ce reprezinta ecuatia de functionare a voltmetrului analizat, in care k e un parametru al acestuia.

Demonstratia expresiei (5.19)

In fig. 5.13, b se arata schema de principiu a voltmetrului din fig. 5.13, a. Datorita tensiunii de masurat (U_x) in condensatorul cu aer C₁₃ se inmagazineaza energia:

,

(S- suprafata electrodului 3, e - permitivitatea aerului), care da nastere fortei de atractie:

(x<<d), (5.24)

expresie identica cu (5.19) daca se utilizeaza substitutia:

k₁=e S/2d² (5.25)

Schimbarea gamelor (U_xn)

Tinand cont de (5.25), ecuatia de functionare (5.23) poate fi transcrisa in forma:

(5.26)

care pentru a a_n devine:

; (5.27)

ceea ce arata ca schimbarea lui U_xn se poate face prin modificarea distantei (d) dintre electrozii activi (1 si 3). Operatia se realizeaza prin deplasarea suportului (2) spre electrodul (3), pozitia lui (2) pe batiu (9) fiind precizata cu ajutorul unui index (10) si a unei rigle gradate (11) fixata pe batiu (9). Evident distanta (d) trebuie sa respecte si conditia (5.18).

Atentie ! La schimbarea gamelor unui astfel de voltmetru trebuie luate precautiile mentionate la observatia anterioara la voltmetrul C-96.

Exemplu de constructie

Kilovoltmetrul rusesc C-100 cu urmatoarele performante:

game (U_xn): 25 - 50 - 75 kV;

precizie : 1,5 % c.s.;

banda: 0 - 500 kHz.

b) Voltmetrul electrostatic de inalta tensiune cu afisare la distanta

Instalatiile de masura de inalta tensiune sunt plasate intr-un perimetru imprejmuit cu gard din plasa de sarma, cu rol de protectie a operatorului uman impotriva electrocutarii. In aceasta situatie voltmetrul electrostatic se afla la o distanta relativ mare fata de operator, ceea ce poate cauza erori de citire importante. Voltmetrul prezentat in cele ce urmeaza inlatura acest neajuns, deoarece informatia despre (U_x) este transmisa in exteriorul perimetrului imprejmuit si afisata pe un instrument separat.

Schema functionala

Schema unui voltmetrul electrostatic cu afisare la distanta este prezentata in fig 5.14. Se observa ca este de tip comparator c.a./c.c. electrostatic/magnetoelectric cu echilibrare automata. Spre deosebire de mecanismul pe benzi de intindere, aici axul organului mobil (3) este sustinut pe benzi (4) de tipul fara cuplu, iar cuplul antagonist este creat de catre bobina (B) a unui mecanism magnetoelectric, fixata pe acelasi ax cu electrodul mobil (2). Acesta din urma este prevazut cu o aripioara (5) in care e practicata o mica fanta (6) ce permite trecerea unui flux luminos (f), trimis de o lampa cu lentila (L) spre doua fotorezistente (7,8), montate intr-o punte impreuna cu doua rezistente (9,10), puncte care in absenta lui U_x se afla in echilibru.

Functionare. La aplicarea tensiunii de masurat U_x ia nastere cuplul direct (k₁= const): , care tinde sa roteasca organul mobil, ceea ce face ca fotorezistentele sa nu mai fie iluminate in mod egal si ca urmare puntea se echilibreaza, iar curentul de dezechilibru (I) este trimis in bobina (B) care produce cuplul antagonist (k₂=const), M₂=k₂ I. Organul mobil se echilibreaza cand M₁=M₂, deci: relatie ce poate fi transcrisa in forma:

,

ce reprezinta ecuatia de transfer c.a./c.c. a comparatorului.

Dispozitivul de afisare la distanta

Curentul I este trecut printr-o rezistenta calibrata (R), iar caderea de tensiune RI, este trecuta printr-un extractor de radical (11) ce da la iesire o tensiune (k₃= const):

.

In fine, U₂ este masurata cu un voltmetru numeric, VN, ce afiseaza un numar (k₄=const): N=k₄U₂, adica:

N=k U_x    ,

relatie ce constituie ecuatia de functionare a voltmetrului prezentat.

Voltmetrul VN poate fi montat la o distanta de 10-20 m fata de carcasa voltmetrului (12), deoarece rezistenta de iesire a blocului (11), R₀, poate fi aleasa astfel incat rezistenta legaturii AB, R_AB, sa fie neglijabil de mica fata de R₀. Rezistenta R si blocul (11) sunt plasate in interiorul carcasei (12).

Performante

U_xn=60kV (o singura gama in loc de trei: 15-30-60kV);

precizie: 0,5 % c.s. (imbunatatirea preciziei se datoreaza lui VN);

banda: 0 - 2 MHz.

Principalul neajuns: fiabilitate redusa, din cauza suspensiei pe benzi "fara cuplu" (4), ceea ce il recomanda ca aparat stationar nu portabil.